Catalyse moléculaire de l’électroréduction du dioxyde de carbone en cellule à flux

Molecular catalysis of carbon dioxide electroreduction in a flow cell

• Auteur / Autrice : Dorian Joulié
• Direction : Marc Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electrochimie moléculaire et biologique
• Date : Soutenance le 24/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Électrochimie Moléculaire (Paris) (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Ally Aukauloo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ally Aukauloo, Marta Costa Figueiredo, Thomas Burdyny, Virginie Lair, Vincent Faucheux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marta Costa Figueiredo, Thomas Burdyny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs au cobalt

Recyclage

Dioxyde de carbone

Électrochimie

Mots clés libres

Electrochimie

Dyoxyde de carbone

Recyclage

Cellule à flux

Catalyse moléculaire

Electrochemistry

Carbon dioxide

Recycling

Flow cell

Molecular catalysis

Résumé

Les activités humaines sont responsables du dérèglement du cycle du carbone. Cecycle régule particulièrement le dioxyde de carbone dans l’atmosphère via la photosynthèse et la décomposition des êtres vivants. En brûlant des ressources fossiles comme le pétrole ou le charbon, les humains produisent une quantité astronomique de dioxyde de carbone (33 Gt en 2019) qui s’accumule pour partie (environ 25 %) dans l’atmosphère. Ce gaz à effet de serre est un des principaux responsables du réchauffement climatique. Il est urgent de diminuer drastiquement nos émissions de dioxyde de carbone. De nombreux efforts sont faits pour valoriser le dioxyde de carbone. Cette molécule est stable et facile d’utilisation. Elle s’avère utile dans des procédés de récupération d’hydrocarbures, de production de gaz de synthèse ou en tant que solvant chimique. Il est aussi possible de la transformer par thermochimie, biocatalyse, photochimie et électrochimie. Parmi toutes ces options, la catalyse électrochimique est sans doute la plus proche d’atteindre des vitesses de transformations et des coûts compatibles avec un développement technologique industriel. Dans ce manuscrit, nous montrons qu’une molécule simple, abondante et commerciale, la phtalocyanine de cobalt, est capable de transformer le dioxyde de carbone en monoxyde de carbone avec des productivités industrielles. La compréhension et l’optimisation d’une cellule à flux comprenant le catalyseur moléculaire apermis de multiplier la productivité de la réaction par 17 et sa stabilité par 30. Des courants partiels pour la production de CO supérieurs à 0.5 A:cm-2 ont été obtenus. Il est nécessaire d’augmenter l’échelle de production de cette réaction afin d’atteindre les impératifs industriels. Un plan de développement de la cellule à flux est présenté et il permettra d’augmenter la surface des électrodes, de 1 cm2 à 10 m2. Le monoxyde de carbone produit est un composé utilisé dans de nombreuses industries comme la métallurgie, l’industrie chimique et pharmaceutique. L’électroréduction du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone permettra de diminuer lesémissions de gaz à effet de serre tout en fournissant un produit à valeur ajoutée. En utilisant de l’électricité renouvelable, il est désormais envisageable de réduire l’empreinte carbone de ces industries de 90 % tout en réduisant les coûts de production. C’est une opportunité exceptionnelle afin de contribuer à la baisse des émissions globales de dioxyde de carbone. Ce travail constitue une brique importante menant vers la mise au point d’un cycle du dioxyde de carbone d’origine anthropique.

Human activities are responsible for the carbon cycle disruption. This cycle notably balances the carbon dioxide in the atmosphere via photosynthesis and decomposition of living beings. Upon burning fossil fuels such as oil or coal, humans produce an astronomical amount of carbon dioxide (33 Gt in 2019) accumulating partially (approximately 25 %) in the atmosphere. This greenhouse gas is responsible for global warming. It is urgent to drastically decrease our carbon dioxide emissions. Numerous efforts are currently being made to valorize carbon dioxide. Thismolecule is stable and easy to handle. It is used in oil recovery processes, syngas production or as chemical solvent. Carbon dioxide can also be transformed with thermochemistry, biocatalysis, photochemistry or electrochemistry. Regarding these transformations, electrochemical catalysis is undoubtedly the closest technology that may reach industrial productivity while being viable economically. In this manuscript, we show that a simple, abundant and commercial molecule,Cobalt Phthalocyanine, is able to transform carbon dioxide into carbon monoxide with industrial productivities. The comprehension and optimization of a flow cell, hosting the molecular catalyst, permit to multiply the reaction productivity by 17 and its stability by 30. Such performances upgrade is necessary to reach industrial production. A development plan of the flow cell is presented to upscale the lab 1 cm2 electrode to an industrially relevant 10 m2 surface.Carbon monoxide is used in several industries such as metallurgy, chemicals and pharmaceuticals. Carbon dioxide electroreduction into carbon monoxide enables to decrease greenhouse gases emissions while producing an added value product. Using renewables energies, the industry carbon footprint could be reduced by 90 % while decreasing operational costs. It is an exceptional opportunity to contribute to the reduction of global carbon dioxide emissions. This work is one step closer from the conception of an anthropogenic carbon dioxide cycle.